Особенности осаждения хромовых покрытий при работе магнетронной распылительной системы с сублимирующей мишенью
Результаты исследования необходимы для разработки новой высокопроизводительной технологии осаждения высококачественных защитных покрытий. Объектом исследования являются магнетронный разряд, функционирующий на парах мишени, изготовленной из хрома, а также свойства хромовых покрытий. Цель работы – выявить закономерности функционирования разряда с сублимирующей хромовой мишенью, в том числе в режиме самораспыления, а также влияние режима самораспыления на коррозионную стойкость хромовых покрытий, осаждённых в этих условиях. В процессе исследования определялась минимальная мощность, при которой магнетронная распылительная система стабильно функционировала в режиме самораспыления. Изучался механизм поддержания магнетронного разряда при использовании сублимирующей хромовой мишени.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 14
Глава 1 Анализ проблем, возникающих при распылении горячей хромовой
мишени ……………………………………………………………………………………………………. 17
1.1 Вакуумное напыление ……………………………………………………………………… 17
1.2 Принципы работы магнетронных распылительных систем ……………….. 21
1.3 Особенности магнетронного распыления металлических мишеней,
испытывающих испарение или сублимацию ………………………………………….. 32
1.4 Режим самораспыления ……………………………………………………………………. 37
1.5 Проблема неравномерности распыления сублимирующей мишени и
предполагаемые способы еѐ решения …………………………………………………….. 39
1.6 Постановка задач исследования ……………………………………………………….. 44
Глава 2 Оборудование и методы исследования …………………………………………. 46
2.1 Описание использованного оборудования для осаждения хромовых
покрытий ………………………………………………………………………………………………. 46
2.2 Приборы и методы диагностики ………………………………………………………. 52
2.2.1 Измерение толщины покрытий …………………………………………………… 52
2.2.2 Исследование коррозионной стойкости покрытий ………………………. 54
2.3 Методики расчѐтов ………………………………………………………………………….. 57
2.3.1 Математическая модель тепловых и эрозионных процессов
теплоизолированной горячей мишени …………………………………………………. 57
2.3.2 Методика расчѐта скорости осаждения покрытий и частиц и их
концентрацию в пространстве между мишенью и подложкой ……………… 59
2.3.3 Методика расчета концентрации атомов в пространстве между
мишенью и подложкой ……………………………………………………………………….. 60
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и
ресурсосбережение…………………………………………………………………………………… 77
Введение……………………………………………………………………………………………….. 77
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ……………………………………………………………………………….. 77
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………… 77
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений …………………………… 78
4.2 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………….. 79
4.3 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………. 81
4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования ………………………. 81
4.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ ……………………………. 81
4.3.3 Разработка графика проведения исследования ……………………………. 82
4.4 Бюджет научно-технического исследования …………………………………….. 86
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ……………………………………………….. 86
4.4.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ ….. 86
4.5 Основная заработная плата исполнителей темы ……………………………….. 87
4.5.1 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ……………….. 89
4.6 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …………. 89
4.7 Накладные расходы …………………………………………………………………………. 90
4.8 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта … 90
4.9 Определение ресурсной (ресурсосберегающей) эффективности
исследования ………………………………………………………………………………………… 91
Глава 5 Социальная ответственность ………………………………………………………… 95
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 95
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя)
правовые нормы трудового законодательства ……………………………………… 95
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя …………………………………………………………………………………….. 96
5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………. 98
5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………………….. 99
5.3.1 Производственный шум ……………………………………………………………… 99
5.3.2 Микроклимат ……………………………………………………………………………… 99
5.3.3 Расчет искусственной освещенности…………………………………………. 100
5.3.4 Электробезопасность ………………………………………………………………… 104
5.3.5 Электромагнитное излучение ……………………………………………………. 106
5.3.6 Пожарная безопасность …………………………………………………………….. 108
5.4 Экологическая безопасность…………………………………………………………… 109
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 110
Выводы по разделу «Социальная ответственность» ……………………………… 112
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 113
Список литературы: ……………………………………………………………………………….. 114
Приложение A ……………………………………………………………………………………….. 119
На сегодняшний день защитные, износостойкие, декоративные и
тому подобные плѐнки нашли широкое применение при изготовлении
обрабатывающих инструментов, в современных технологиях
машиностроения, микроэлектроники, медицины и других областях.
Для нанесения тонкопленочных покрытий широкое распространение
получило магнетронное осаждение, процесс которого основан на распылении
материала мишени ионами из газоразрядной плазмы. Применение
магнетронных распылительных систем (МРС) получило широкое
применение благодаря тому, что они позволяют получать покрытия высокого
качества и практически любые по составу и функциональным свойствам. Так
получается при правильном выборе большого количества рабочих
параметров: мощности разряда, ионного тока, направляемого на подложку,
рабочего давления в вакуумной камере, параметров электрического питания
и пр.
Однако у метода с использованием МРС есть недостатки, основными
из которых является низкая скорость осаждения покрытий и необходимость
поддержания относительно высокого давления в рабочей камере. Низкая
скорость осаждения связана с тем, что у типичных МРС основным
механизмом создания осаждаемого потока частиц является распыление.
Высокое давление в камере, т.е. для типичных магнетронов, как правило, от
0,1 до 1 Па, связано с необходимостью присутствия рабочего газа (часто
используют аргон), поддерживающего функционирование разряда. Но при
этом атомы рабочего газа и попадающих вместе с ним в камеру посторонних
частиц могут быть захвачены в осаждаемые слои формируемого покрытия. В
этом случае происходит его загрязнение, что может приводить к ухудшению
функциональных характеристик. В последнее время выяснено, что одним из
возможных способов повышения скорости осаждения, а так же уменьшения
давления в камере является использование МРС с мишенями, вещество
которых испытывает испарение или сублимацию дополнительно к
распылению. В катодных узлах подобных МРС мишень теплоизолируется от
охлаждаемого корпуса диода, и энергия плазмы эффективно расходуется на
еѐ нагрев. При определѐнной плотности мощности возможны фазовые
превращения первого рода (плавление, испарение). Если вещество мишени
имеет высокие скорости сублимации (например, хром), то нет
необходимости доводить его до плавления. В этом случае можно
организовать работу МРС с твердотельной горячей мишенью, которая
становится эффективным средством для высокоскоростного осаждения
металлических плѐнок.
Опыты с медными мишенями продемонстрировали, что разряд
переходит в режим самораспыления при достаточно высоких плотностях
энергии, при котором атомы материала мишени учавствуют в качестве
рабочего газа, и рабочее давление в камере снижается на один два порядка,
что в свою очередь увеличивает качество получаемых покрытий [1,2].
Важным обстоятельством является то, что получается значительно увеличить
плотность потока эмиссии частиц благодаря испарения и приблизительно на
один – два порядка увеличить скорость роста осаждаемого покрытия.
Применительно к МРС с сублимирующими хромовыми мишенями подобная
задача не решалась. Но еѐ решение может быть востребовано и для
практических применений, и для понимания фундаментальных процессов
функционирования магнетронного разряда. Поэтому возникла идея
выполнить серию исследований по выводу магнетрона с сублимирующей
хромовой мишенью в режим самораспыления и изучить характеристики
покрытий, получаемых в этих условиях.
Для того чтобы исследовать основные механизмы осаждения
покрытий при работе МРС с сублимирующей мишенью, была поставлена
цель – выявить закономерности функционирования разряда с
сублимирующей хромовой мишенью, в том числе в режиме самораспыления,
а также особенности структурных и функциональных свойств плѐнок,
осаждѐнных в этих условиях, а так же поставлены следующие задачи:
исследовать параметры разряда (вольт-амперные характеристики,
давление в камере) при работе магнетрона с сублимирующей хромовой
мишенью в присутствии аргона и в режиме полного самораспыления при
разной мощности источника питания;
найти минимальную мощность, при которой магнетрон с горячей
хромовой мишенью стабильно работает в режиме самораспыления;
исследовать условия осаждения при подаче отрицательного
смещения (Ubias) на подложку при работе магнетрона с горячей мишенью в
режимах с аргоном и в условиях полного самораспыления;
изучить механизмы поддержания разряда при работе магнетрона
с сублимирующей хромовой мишенью в режиме самораспыления;
получить данные о зависимости скорости роста хромовых
покрытий от мощности магнетрона, фазового состояния мишени (горячая
сублимирующая или охлаждаемая) и фактора самораспыления ;
сравнить функциональные (точнее, антикоррозионные) свойства
хромовых покрытий, полученных при работе магнетрона с охлаждаемой
мишенью и с сублимирующей мишенью в присутствии аргона и в режиме
полного самораспыления.
Предполагалось, что будут получены более чистые покрытия, и это
приведѐт к значительному улучшению их функциональных характеристик.
При этом будут значительно увеличены скорости осаждения за счѐт того, что
к распылению добавляется процесс сублимации.
В результате проведенных исследований при работе МРС с
сублимирующей Cr мишенью было выявлено:
• минимальная мощность, при которой магнетрон стабильно
работает в режиме самораспыления, составляет 2250 Вт, что соответствует
интенсивной сублимации атомов с поверхности мишени;
• при подаче отрицательного смещения на подложку ток
смещения примерно одинаковый как в режиме самораспыления, так и при
подаче рабочего газа, что указывает на возможность гибкого управления
ионной бомбардировкой поверхности растущего покрытия при реализации
режима полного самораспыления;
• покрытие, полученное при минимальной мощности магнетрона в
режиме самораспыления, продемонстрировало более высокую стойкость к
коррозии по сравнению с покрытием, полученным при работе магнетрона с
рабочим газом;
• скорости осаждения хромовых покрытий при использовании
сублимации мишени возросли примерно на порядок по сравнению с
обычным распылением.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (8 отзывов)
4 (15 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
4.8 (37 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.9 (35 отзывов)
